客户成就 | 研究团队揭示Ge-Te二元系统中的挥发性和非挥发性转换机制

2025-04-22 16:30:14 79阅读次数

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近日，来自中科院上海微系统与信息技术研究所和上海交通大学的朱敏教授团队在材料科学头部期刊《Advanced Functional Materials》上发表了一项重要研究成果。该论文题为“Volatile to Non-Volatile Switching Transition in Chalcogenides”，展示了Ge-Te二元系统中三种电学开关行为的转变机制。本文中，来自赛默飞纳米港的应用专家葛青亲和史南南利用ESCALAB 250Xi XPS协助研究团队完成了关键表征工作。该研究不仅揭示了该材料丛挥发性到非挥发性转换的内在机制，还为高密度三维存储提供了一种替代方案，具有潜在的应用价值。

随着全球数据量的爆炸性增长和人工智能技术的快速发展，对高速、海量数据存储的需求日益迫切。传统存储设备（如内存和固态硬盘）已难以满足这一需求，而三维相变存储器凭借其大容量和高速读写特性，有望成为理想的解决方案。三维相变存储器主要由存储单元和开关单元组成：存储单元采用相变材料（Ge-Sb-Te、GeTe等硫系化物），利用其在导电晶态和高阻无定形态之间的快速、可逆相变实现数据存储；开关单元由双向阈值开关材料（如Ge-S、Ge-Te、Ge-Se）构成，在关闭状态下抑制漏电流和串扰，同时在开启时驱动存储单元工作。

本文揭示了Ge-Te二元系统中存在的三种电学开关行为：双向阈值开关（Ovonic Threshold Switch，OTS)、相变存储（Phase-Change Memory, PCM）和相变开关（Phase-Change Switch, PCS)。研究发现，Ge-Te系统中的电学特性可以从OTS（挥发性）向PCM（非挥发性）转变，主要归因于结晶速度的显著提升；而提高材料的非晶形成能力和结晶温度，可使PCS转变为OTS行为。此外，本研究成功实现了GeTe₁₆相变开关（PCS）和GeTe相变存储（PCM）的三维堆叠，替代了传统的OTS+PCM堆叠方案，为三维存储架构提供了新的技术路线。

在这一研究中，赛默飞的ESCALAB 250Xi X射线光电子能谱仪发挥了关键作用。利用紫外光电子能谱功能(UPS)，对Ge-Te 薄膜进行表征，得到材料的电子结构和能量参数信息，为研究材料的电学性能和开关机制提供了关键信息。测试结果发现，从 GeTe 到GeTe₁₆，功函数随 Te 含量增加而减小，但下降很小( ＜0.2eV)。这表明 Te 含量的改变对材料的电子逸出功有一定影响，进而影响材料与电极之间的相互作用和电子传输特性。同时结合UPS得到的功函数信息计算得到，GeTe16具有较高的价带顶位置（0.43eV），使得肖特基势垒高达约 1.57eV，这有效地抑制了漏电流（约2.5×10^?8A），很好地解释了GeTe₁₆在器件中表现出低漏电流的原因，为解释器件的电学性能提供了理论依据。

图 1. Ge-Te 器件的电子结构和能量参数：A) Ge-Te 合金的费米能级；B) Te 含量与价带顶变化的关系；C) 光学带隙（Eg）；D) Ge-Te 薄膜和 TiN 电极的功函数；E,F) Ge-Te 设备的计算能量势垒和能带图。

通过此次研究

赛默飞的先进设备在科研中的应用再次得到了证明。ESCALAB 250Xi不仅为研究团队提供了高精度的数据支持，还帮助他们揭示了Ge-Te二元系统中的关键机制。这些成果进一步展示了赛默飞在推动科学研究和技术创新方面的卓越贡献。我们期待未来有更多的科研工作者借助赛默飞的先进仪器，探索未知领域，实现更多突破性的发现。